Redes de Automação: Vantagens, Desafios e Comparações

Devido ao avanço tecnológico as redes de automação são largamente utilizadas apresentando vantagens em relação a sistemas convencionais de cabeamento diminuição de fiação facilidade na manutenção flexibilidade na configuração da rede e diagnóstico dos dispositivos Por usarem protocolos de comunicação digital padronizados essas redes possibilitam a integração de equipamentos de vários fabricantes distintos É o que chamamos de sistemas abertos permitindo flexibilidade e capacidade de expansão Redes de Comunicação As características dos sistemas centralizados são cabeamento paralelo utilizando fios em par trançado e topologia estrela transmissão de dados entre os dispositivos sensores e atuadores e a unidade de controle na forma de sinais analógicos e digitais Sistemas centralizados Dificuldades A grande quantidade de dispositivos de EntradaSaída sensoresatuadores e as longas distâncias usuais na indústria causam altos custos de instalação e manutenção Outra limitação é a falta de flexibilidade do sistema para extensões ou modificações Controle centralizado e barramento de campo Características controle centralizado transmissão digital de dados em uma topologia de barramento padrões RS232 RS485 Comparação RS232 com RS485 httpswwwyoutubecomwatchv3wgKcUDlHuM barramento Controle centralizado e barramento de campo distribuído As características são inteligência distribuída utilizando microcontroladores ao longo do barramento redução de cabeamento e custos de instalação unidades de conexão gateways bridges repeaters etc Sistema de controle distribuído As características são meios variados de comunicação implementação mais completa para sistemas abertos sistemas não proprietários flexibilidade completa para topologias de rede softwares e ferramentas de desenvolvimento mais amigáveis Redes determinísticas X probabilísticas Redes determinísticas transmissão de dados ou de informações ocorre em instantes e intervalos de tempo determinados Permitem que o tempo de resposta seja conhecido evitando problemas de inicialização e atrasos Exemplo transporte aéreo em que decolagens têm horário marcado aviões de passageiros Redes probabilísticas permitem apenas calcular a probabilidade da transferência de informações ocorrer em um determinado intervalo de tempo Exemplo transportes aéreos em que aeronaves aguardam passageiros durante um tempo para então decolar Especificação de uma rede de automação Taxa de Transmissão É a quantidade média de dados a serem transmitidos na rede em um período de tempo O termo utilizado para esta especificação é throughput A taxa de transferência de dados é medida em kilobits por segundo kbps que significa 1000 bits por segundo Topologia Física da Rede Está relacionada com a disposição construtiva na qual os dispositivos estão conectados na rede Exemplos de topologias físicas de rede são anel estrela e barramento Tecnologia de Comunicação E a forma de gerenciamento entre os pontos de comunicação nós da rede no tocante à comunicação de dados As tecnologias típicas de comunicação são mestreescravo e produtorconsumidor Algoritmo de Acesso ao Barramento É o algoritmo utilizado pelos nós para acessar ou disponibilizar informações na rede Algoritmos típicos de acesso ao barramento são processos de varredura ou cíclica CSMACD token passing etc Meio Físico de Transmissão Os meios físicos de transmissão estão relacionados ao cabeamento utilizado para a interconexão dos dispositivos Existem muitos tipos de meios físicos de transmissão e alguns exemplos são par trançado cabo coaxial e fibra ótica Os meios físicos são selecionados de acordo com a aplicação A seleção depende da distância entre os dispositivos da taxa de transferência desejada do protocolo a ser utilizado etc Especificação de uma rede de automação Topologia Ponto a Ponto Redes ponto a ponto têm comunicação entre dois ou mais processadores Podem estar conectados diretamente e podem usar outros nós como roteadores Topologia Física Nas redes de controle distribuído onde são utilizados vários processadores ou CPUs cada processador recebe a informação utiliza a que lhe diz respeito e retransmite o restante a outro Essa topologia é pouco utilizada pois a adição de novos dispositivos ou a falha de algum deles causa interrupção na comunicação Utilizada em comunicações temporárias provisórias por exemplo comunicação de notebooks com controladores lógicos programáveis CLPs Barramento O meio físico de comunicação é compartilhado entre todos os processadores o controle pode ser centralizado ou distribuído Topologia muito utilizada pois possui alto poder de expansão e um nó com falha não prejudica os demais Topologia Física Anel Topologia ponto a ponto cada processador é conectado a outro fechandose o último segmento ao primeiro É uma topologia mais confiável que a de ponto a ponto Topologia Física O sinal circula no anel até chegar ao ponto de destino Na inserção de nós a conexão deve ser interrompida Em relação a falhas um nó com problemas interfere em toda a rede Grande limitação quanto a sua expansão devido ao aumento de retardo de transmissão Estrela Utiliza um nó central para gerenciar a comunicação entre as máquinas Topologia Física Para o nó central geralmente são utilizados processadores em duplicidade para garantir confiabilidade ao sistema Nós em falha não afetam os outros exceto o nó central que provoca falha em toda a rede Tecnologia de comunicação Escravo Slave Um escravo é um periférico dispositivos inteligentes de EntradaSaída Drivers Interfaces Homem Máquina Válvulas Transdutores etc que recebe uma informação do processo eou utiliza informações de saída do mestre para atuar na planta Escravos são dispositivos passivos que somente respondem a requisições diretas vindas do mestre MestreEscravo Monomestre Há somente um mestre no barramento durante a operação Geralmente a CPU do CLP é o componente de controle central Os escravos são descentralizadamente acoplados no barramento através do meio de transmissão de dados Multimestre A imagem das entradas e saídas pode ser lida por todos os mestres porém somente um mestre pode controlar um dado escravo MestreEscravo Um Mestre múltiplos escravos Dispositivos escravos trocam dados apenas com o Mestre Multimestre Mais de um mestre Cada mestre tem seu próprio conjunto de escravos Dispositivos escravos apenas trocam dados com seus mestres Ponto a ponto Dispositivos enquadrados numa mesma categoria livres para tomar iniciativa de comunicação Dispositivos podem trocar dados com mais de um dispositivo ou múltiplas trocas com um mesmo dispositivo Gera um desperdício na banda pois os dados devem ser enviados várias vezes para cada destino especificamente A sincronização entre os nós é difícil pois os dados chegam em instantes diferentes Essas últimas observações mostram como esse processo pode produzir congestionamentos no fluxo de informação Produtorconsumidor Mensagem 1 referência de posição do sensor transmitida em multicast aos CTRL1 2 e IHM Mensagem 2 comando de velocidade do CTRL1 transmitido simultaneamente aos 3 drives e IHM Neste modelo os dados possuem um identificador único origem ou destino Todos os nós podem ser sincronizados Usando esse modelo múltiplos nós produtores podem transmitir dados para outros nós consumidores Também alguns nós podem assumir na rede os papéis de produtor e consumidor Algorítmos de acesso ao barramento CSMACD Carrier Sense Multiple AccessColision Detection Token passing Cíclica ou Varredura Cyclic Polling Mudança de Estado CoS Change of State CTDMA Neste algoritmo um dispositivo começa a transmitir dados assim que detecta que o canal está disponível Caso dois dispositivos tentem transmitir simultaneamente haverá uma colisão Quando um dispositivo detecta que sua transmissão colidiu com outra ele aborta sua transmissão e após um tempo randômico tenta transmitir novamente Existem vários tipos de CSMACD um deles é o NDA NonDestructive BitwiseArbitration que trata da resolução determinística de colisões através de prioridades Caso alguns dispositivos tentem transmitir ao mesmo tempo um sistema de arbitragem soluciona o problema todos os dispositivos são proibidos de transmitir exceto o que tiver maior prioridade CSMACD Carrier Sense Multiple AccessColision Detection Token passing Nesta forma a rede física tem a topologia em anel Nesse anel é indicada a direção onde circula o Token ficha Caso um dispositivo deseje transmitir ele deve capturar o token substituindoo por um frame informações dados Uma vez que um dispositivo termina sua transmissão quer seja por colocála inteiramente no anel ou por tempo determinado de utilização do token ele regenera o token permitindo assim que outro nó capture o token e acesse a rede para transmissão Cíclica ou Varredura Cyclic Polling Os dispositivos produtores transmitem dados a uma taxa configurada pelo usuário entradasaída As características dessa forma de transferência cíclica são os dados são transferidos numa taxa adequada ao dispositivoaplicação os recursos podem ser preservados para dispositivos com alta variação Esse método de troca de dados é eficiente para aplicações em que os sinais transmitidos se alteram lentamente Como por exemplo sinais analógicos de entrada e saída Por outro lado sinais discretos cuja variação pode ser muito rápida para mudança e retomo ao estado original nesse sistema de acesso poderão ter sua informação perdida Mudança de Estado CoS Change of State Dispositivos produzem dados apenas quando têm seu estado alterado Em segundo plano um sinal é transmitido ciclicamente heartbeat para confirmar que o dispositivo está operando normalmente A vantagem da mudança de estado para troca de dados é que esse método reduz significativamente o tráfego da rede Indicado para comunicação de dados de entrada e saída digitais Neste método o acesso à rede é controlado por um algoritmo fatia de tempo time slice que regula a transmissão de dados pelos nós em cada intervalo de tempo da rede E possível selecionar o tamanho desse intervalo através do ajuste do NUT network update time O NUT mais rápido que pode ser selecionado é de 2 ms CTDMA Protocolos Caracterizam os elementos de maior importância nas redes de automação industrial As redes normalmente passam a ser denominadas pelos protocolos utilizados Definem o padrão operacional da rede de automação ASInterface CAN Controller Area Network ModBus LONWORKS LonTalk lnterBus Profibus EthernetIP ControlNet FOUNDATION FieldBus Tabela Comparativa entre os protocólos 3 5 4 2 1 Hierarquia dos Sistemas de Automação 3 5 4 2 1 GERENCIAMENTO CORPORATIVO GERENCIAMENTO DE PLANTA SUPERVISÃO CONTROLE DISPOSITIVOS DE CAMPO SENSORES E ATUADORES Níveis da Pirâmide da automação industrial Estrutura das redes modelo OSI Open System Interconnect Sistema de rede é dividido em 7 camadas httpsptslidesharenetubiratapauloredesindustriais87311723